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GALS methodology for substrate noise reduction in mixed-signal integrated circuits

GALS-Methodik zur Reduzierung des Substratrauschens in integrierten Schaltkreisen mit gemischten Signalen

  • Mixed signal integrated circuits (MSICs) contain both analog and digital circuitry, integrated together on the same die. While this integration brings many benefits, it also gives rise to the issue of substrate noise coupling between the noisy digital circuitry and noise-sensitive analog circuitry. In order to counteract this issue, various substrate noise reduction methodologies had been developed so far. This thesis explores a new approach in substrate noise reduction – using a GALS (globally-synchronous, locally-asynchronous) design strategy for the digital part of a MSIC, in order to reduce the noise generation at its source. GALS architectures consist of several locally synchronous modules (LSMs) which communicate asynchronously to each other. By converting an initially synchronous architecture of digital circuitry into a GALS architecture, simultaneous switching noise generated by this circuitry can be reduced. While GALS had already been used for reducing other types of simultaneous switching noise, this is, to the best of theMixed signal integrated circuits (MSICs) contain both analog and digital circuitry, integrated together on the same die. While this integration brings many benefits, it also gives rise to the issue of substrate noise coupling between the noisy digital circuitry and noise-sensitive analog circuitry. In order to counteract this issue, various substrate noise reduction methodologies had been developed so far. This thesis explores a new approach in substrate noise reduction – using a GALS (globally-synchronous, locally-asynchronous) design strategy for the digital part of a MSIC, in order to reduce the noise generation at its source. GALS architectures consist of several locally synchronous modules (LSMs) which communicate asynchronously to each other. By converting an initially synchronous architecture of digital circuitry into a GALS architecture, simultaneous switching noise generated by this circuitry can be reduced. While GALS had already been used for reducing other types of simultaneous switching noise, this is, to the best of the author’s knowledge, the first attempt to develop a GALS-based methodology for substrate noise reduction. In order to be able to theoretically analyze GALS-based methodologies for substrate noise suppression, corresponding models at high abstraction level for substrate noise generation and substrate noise propagation in lightly doped substrates (which is a type of substrate mostly used for MSICs) have been developed. These models have further been used for developing two new GALS-based substrate noise reduction methodologies: harmonic-balanced plesiochronous GALS partitioning (HB) and harmonic-and-area-based plesiochronous GALS partitioning with power domain separation (HAB). A theoretical analysis has shown that HB can reach substrate noise attenuation of up to 20log⁡(M), where M is the number of LSMs of the resulting GALS system. On the other hand, the attenuation achievable by HAB depends on the distribution of switching current harmonics and area among the partitions, as well as from the substrate itself. For each of the two methodologies, a suitable partitioning procedure for a practical application has been developed; these partitionig procedures have been numerically evaluated in MATLAB. HB has further been embedded within the EMIAS CAD tool, where it has been evaluated on a real design example – a wireless sensor node. A special case of HAB for low frequencies has been applied for developing a test chip called SGE (power domain Separation and Galsification Experiment). The measurements on silicon have proved the applicability of the methodology.show moreshow less
  • Integrierte Schaltkreise mit gemischten Signalen (MSICs) enthalten sowohl analoge als auch digitale Schaltungen, die zusammen auf demselben Chip integriert sind. Während diese Integration viele Vorteile gewährt, führt sie anderseits zur Kopplung des Substratrauschens zwischen den rauschgenerierenden digitalen Schaltungen und rauschempfindlichen analogen Schaltungen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wurden bisher verschiedene Methoden zur Reduzierung des Substratrauschens entwickelt. In dieser Dissertation wird ein neuer Ansatz zur Reduzierung des Substratrauschens untersucht – Verwendung der GALS (global-asynchron, lokal-synchron) Entwicklungsstrategie für den digitalen Teil des MSICs, um die Erzeugung des Rauschens an seiner Quelle zu reduzieren. GALS Architekturen bestehen aus mehreren lokal-synchronen Modulen (LSMs), die miteinander asynchron kommunizieren. Durch Umwandlung der synchronen Architektur eines digitalen Schaltkreises in eine GALS Architektur kann das vom Schaltkreis erzeugte simultane Schaltungsrauschen signifikantIntegrierte Schaltkreise mit gemischten Signalen (MSICs) enthalten sowohl analoge als auch digitale Schaltungen, die zusammen auf demselben Chip integriert sind. Während diese Integration viele Vorteile gewährt, führt sie anderseits zur Kopplung des Substratrauschens zwischen den rauschgenerierenden digitalen Schaltungen und rauschempfindlichen analogen Schaltungen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wurden bisher verschiedene Methoden zur Reduzierung des Substratrauschens entwickelt. In dieser Dissertation wird ein neuer Ansatz zur Reduzierung des Substratrauschens untersucht – Verwendung der GALS (global-asynchron, lokal-synchron) Entwicklungsstrategie für den digitalen Teil des MSICs, um die Erzeugung des Rauschens an seiner Quelle zu reduzieren. GALS Architekturen bestehen aus mehreren lokal-synchronen Modulen (LSMs), die miteinander asynchron kommunizieren. Durch Umwandlung der synchronen Architektur eines digitalen Schaltkreises in eine GALS Architektur kann das vom Schaltkreis erzeugte simultane Schaltungsrauschen signifikant reduziert werden. Während GALS schon zur Reduzierung von anderen Arten des simultanes Schaltrauschens eingesetzt wurde, ist das, nach bestem Wissen des Autors, der erste Versuch, eine GALS-basierte Methodik zur Reduzierung des Substratrauschens zu entwickeln. Um GALS-basierte Methoden zur Unterdrückung des Substratrauschens theoretisch analysieren zu können, wurden die entsprechenden Modellen zur Erzeugung des Substratrauschens und zur Übertragung des Substratrauschens durch schwach-dotierte Substrate (die meistgenutzte Art der Substrate für MSICs) auf hohem Abstraktionsniveau entwickelt. Diese Modellen wurden zur Entwicklung der zwei neuen GALS-basierten Methoden zur Reduzierung des Substratrauschens benutzt: „Harmonic-ballanced plesiochronous GALS partitioning“ (HB) und „Harmonic-and-area-based plesiochronous GALS partitioning with power domain separation“ (HAB). Eine theoretische Analyse hat gezeigt, dass durch HB eine Dämpfung des Substratrauschens bis 20log⁡(M) erreicht werden kann, wobei M die Anzahl der LSMs des resultierenden GALS Systems ist. Auf der anderen Seite, hängt die durch HAB erreichbare Dämpfung von der Verteilung der harmonischen Schwingungen des Schaltstroms und der Fläche unter den LSMs, sowie von dem Substrat ab. Zur praktischen Anwendung jeder dieser zwei Methoden wurde ein entsprechendes Verteilungsverfahren entwickelt; diese Verteilungsverfahren wurden dann in MATLAB numerisch evaluiert. HB wurde in den EMIAS CAD Werkzeug eingebunden und so auf einem Beispiel des realen Entwurfs – einem drahtlosen Sensorknoten – evaluiert. Ein Sonderfall des HABs für tiefe Frequenzen wurde angewendet, um ein Testchip namens SGE (power domain Separation and Galsification Experiment) zu entwickeln. Die Anwendbarkeit der Methode wurde durch die Messungen auf dem Silizium nachgewiesen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Milan Babić
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-57264
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Rolf Kraemer, Prof. Dr.-Ing. Heinrich Theodor Vierhaus
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of final exam:2021/10/06
Release Date:2022/03/21
Tag:LSM; Partitionierung; Plesiochrones Takten; Simultanes Schaltrauschen; Substratrauschen
GALS; MSIC; Plesiochronous clocking; Simultaneous switching noise; Substrate noise
GND Keyword:GALS; Mixed-Signal-Schaltung; Rauschunterdrückung
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Systeme
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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